Une innovation ou « Un ventilateur intelligent » !

L'utilisation de moteurs asynchrones 50 Hz impose une vitesse de rotation maximale voisine de 3000 tours/mn, ce qui nécessite un diamètre de turbine d'environ 25 cm pour avoir une pression voisine de 10 cm d'eau. Pour augmenter cette vitesse, ce qui permettrait de réduire l'encombrement de la turbine, il faut avoir recours à des dispositifs électroniques de variation de fréquence appelés variateurs. Mais ces moteurs ainsi commandés présentent de l'inertie qui, associée aux temps de réponse des systèmes électroniques, limite l'efficacité d'une commande brusque d'une variation de vitesse, nous allons voir ultérieurement l'intérêt d'une telle variation !
Depuis quelque temps, les aéromodélistes (mon ami Yves pratique cette activité et c'est ainsi que nous avons entrepris notre collaboration) équipent leurs avions de moteurs électriques puissants extrêmement performants, pouvant tourner à des vitesses supérieures à 10000 tours/mn et que l'on peut faire varier très rapidement (les nécessités de pilotage imposent évidemment ces contraintes). Ces moteurs à courant continu portent le nom de « moteur brushless ». La photo montre un tel moteur qui, malgré sa très petite taille, peut fournir une puissance de 150 Watts !

Un moteur "brushless"

 

Une turbine

Ces merveilleux petits moteurs étant disponibles commercialement avec les circuits électroniques de commande (appelés contrôleurs) à des prix très abordables, nous avons entrepris de les mettre en œuvre pour la réalisation de ventilateurs centrifuges. Le grand changement immédiat réside dans les dimensions de la turbine. J'utilise maintenant des turbines de 9 cm de diamètre construites en carton-plume épais de 3 mm. Elles sont munies de 6 pales hautes de 13 mm qui font un petit angle avec le rayon, selon le schéma suivant. Le trou d'aspiration a un diamètre de 4 cm.

Schéma de la turbine.

 

 

La turbine assemblée.

 

La volute, en médium, est cylindrique. La turbine est positionnée axialement, l'espace latéral entre la volute et la turbine est constant, il est presque égal au rayon de la turbine. La distance entre les flasques de la volute et les disques de la turbine est voisine de un centimètre. Au niveau du trou central pour l'entrée de l'air, une adaptation permet un écart d'environ un millimètre.

 

La volute. Le fond est découpé dans une planche épaisse de 16 mm.
Les parois latérales sont faites avec 3 couches de médium épaisses de 3 mm, collées.

 

Le fond de la volute avec l'emplacement du cylindre qui contient le moteur collé sur de la mousse en PVC afin d'éviter les vibrations. On voit le moteur sur le côté droit.

 

L'alimentation électrique se fait sous 12 Volts (cc) et nécessite quelques Ampères. Un circuit d'électronique numérique permet très simplement de commander la vitesse de rotation entre 0 et 12.000 tours/mn à l'aide d'une tension comprise entre 0 et 5 Volts. La courbe ci-dessous montre la pression à vide (débit nul) en fonction de cette tension de commande.

 

Pression (cm d'eau) en fonction de la tension de commande (V).

 

 

Un ventilateur muni d'un moteur brushless (la présence du tournevis permet de se faire une idée des dimensions).

 

Disposant d'un ventilateur dont le régime peut très facilement varier grâce à un signal de commande compris entre 0 et 5 Volts, j'ai mis en œuvre un nouveau mode de régulation de la pression dans mes orgues. Le système mécanique traditionnel de « vanne » d'admission commandée par l'élévation de la table d'un soufflet a été radicalement abandonné. Il suffit alors de relier directement le ventilateur aux sommiers de l'instrument et d'imposer un régime de rotation permettant une pression stable. Un avantage évident est lié au fait que lorsque l'on ne joue pas, le moteur tourne à son régime minimum pour assurer la pression désirée, le bruit du ventilateur est alors réduit à son minimum. Le moteur accélère lorsqu'on demande du vent pour faire parler les tuyaux. Le bruit parasite (faible !) s'accroît lorsque l'orgue augmente son niveau d'émission sonore. En termes de physicien, on optimise ainsi le « rapport du signal au bruit » !
Pour faire tourner le moteur à la bonne vitesse, je garde un soufflet à membrane (cliquez ici pour voir la page sur la Fabrication du « soufflet à membrane ») chargé de poids correspondants à la pression désirée. C'est l'élévation de la table ainsi chargée qui détermine la tension de commande. Deux méthodes assez différentes apportent une solution. Elles présentent chacune des avantages certains. La première méthode, la plus élémentaire, utilise un simple potentiomètre mono-tour couplé à la table par à une ficelle et une poulie. On obtient ainsi très facilement une tension qui croît lorsque la table du soufflet descend. Une demande de vent provoque un abaissement de la table qui est immédiatement compensé par un accroissement de la pression délivrée par le ventilateur. Cette pression est donc ainsi très bien stabilisée. Une seconde méthode plus élégante permet d'effectuer la même fonction sans contact, il n'y a donc plus d'usure possible du dispositif. Un simple capteur optique mesure la position de la table et génère directement la tension de commande. Par bonheur, on trouve de tels capteurs répondant exactement au besoin et que l'on peut utiliser directement sans adaptation électronique. De plus, leur prix n'est pas très élevé... Le schéma de principe de cette dernière méthode est représenté sur la figure suivante.

Schéma de la régulation de pression par le contrôle de la vitesse du moteur avec un capteur optique qui mesure le déplacement de la table du "soufflet" .
V : Ventilateur brushless.
S : Sommier de l'orgue.
C.O : Capteur optique de distance.
T : Table du soufflet.
E : Circuit électronique de commande du moteur.

 

 

Régulation avec un potentiomètre :

Une poulie transforme le mouvement rectiligne vertical de la table en rotation de l'axe du potentiomètre.
Une simple ficelle et un ressort de rappel assurent cette fonction.

 

Régulation avec un capteur optique de distance :

Le capteur est déporté à l'extérieur, un petit écran blanc au bout d'un levier permet au capteur une mesure de l'élévation du soufflet.

 

 

Constatant l'amélioration évidente obtenue avec ce mode de soufflerie, j'en ai systématiquement équipé tous mes instruments. Il en résulte :
– moins de bruit du ventilateur.
– Un vent beaucoup plus stable et limpide (absence de turbulences)
– Une pression sans secousses.

Remarque : J'obtiens, en plus, une réduction importante du bruit résiduel en plaçant un « piège à bruit » à la sortie du ventilateur. C'est une simple boite en bois, parallélépipédique, tapissée intérieurement d'une mousse absorbante. L'air rentre d'un côté et ressort par une autre face.

Pour permettre une mise en œuvre efficace de cette nouvelle méthode de soufflerie, en particulier pour faire tourner le moteur brushless, Yves MONFORT a très généreusement accepté de faire partager ses talents d'électronicien. Nous lui devons donc le chapitre suivant.

Cliquez ici pour accéder au chapitre sur le moteur brushless.